Визуальное изучение магнитного поля

Наиболее эффективное визуальное изучение магнитного поля осуществляется с применением магнитных жидкостей.

Синтезированные в середине 60-х годов XX века жидкие ферромагнетики – магнитные жидкости (МЖ) представляют собой коллоидные растворы различных ферро- или ферримагнитных веществ в обычных жидкостях. Наиболее распространенной является МЖ на основе однодоменных частиц магнетита Fe₃O₄, диспергированных в керосине. Агрегативная устойчивость коллоида достигается путем создания на поверхности частиц защитных оболочек, препятствующих слипанию частиц в агрегаты. Наиболее часто в качестве стабилизатора применяется олеиновая кислота.

В поперечном к свободной поверхности МЖ магнитном поле возникает скачок «магнитного давления», обусловливающий неустойчивость поверхности, появление на ней системы «пиков», приближенно отражающих геометрию линий напряженности. Подобная неустойчивость возникает при достижении некоторого критического значения поперечной составляющей магнитного поля Н_к. В случае керосиновой МЖ Н_к=10-15 кА/м.

Для визуального изучения геометрии магнитного поля используется специальная кювета с плоским тонкостенным донышком, покрытым тонким слоем магнитного коллоида. Постоянный магнит, поле которого исследуется, подносится к кювете снизу, прижимается к донышку или удерживается на некотором расстоянии от него.

Методика измерения намагниченности

Магнитного коллоида или ферросуспензии

Основой индукционного метода служит закон электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС индукции, возникающая в проводящем контуре, численно равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего данный контур. Различные варианты данного метода используются для измерения напряженности магнитного поля, градиента напряженности, для измерения намагниченности МЖ и ФС, а также для измерения остаточной намагниченности ФС.

Исследуемая жидкость заливается в цилиндрическую ампулу, диаметр и высота которой составляют 6 и 30 мм. Продольное намагничивание образцов проводится либо внутри соленоида, предварительно проградуированного то току, либо – между полюсными наконечниками лабораторного электромагнита. Намагниченность или остаточная намагниченность определялась баллистическим методом (или при помощи микроампервеберметра) по фиксации изменения магнитного потока, пронизывающего витки измерительной катушки при выдергивании из нее намагниченного образца. В наиболее простом случае измеряется магнитный поток, пронизывающий витки катушки при включении или выключении внешнего магнитного поля с исследуемым образцом и без него – Ф_М и Ф_МО. В этом случае намагниченность рассчитывается по формуле

, (31)

где S — площадь контура, N_K — количество витков в катушке, N — размагничивающий фактор.

Изменение магнитного потока в измерительной катушке индуктивности (с образцом и без него) достигается и путем поворота ее на 180º вокруг оси, перпендикулярной к линиям напряженности магнитного поля. При этом наибольшей чувствительностью характеризуется способ измерения, основанный на использовании системы из двух катушек индуктивности, включенных антипараллельно. В одну из катушек вставляется ампула с исследуемым образцом. Намагниченность рассчитывается по формуле:

, (32)

где Ф_М – изменение магнитного потока, d – внутренний диаметр ампулы, N_K₁ – число витков в одной катушке. Относительная погрешность измерений ε _М составляет

При расчетах постоянной измерительных катушек малых размеров может возникнуть необходимость учета поправки, связанной с цилиндрической формой обмоточного провода и с конечностью его толщины:

где r, R – радиусы сечений проводника и катушки.

ЗАДАНИЕ

1. При помощи магнитометра АТЕ-8702 произвести измерения магнитной индукции в различных точках постоянного магнита по лицевой и торцовой поверхностям:

1.1. Магнит кольцевой формы (3-4 образца различных размеров).

1.2. Магнитные пластинки.

1.3. В межполюсном пространстве и вдоль центральной вертикали U-образного постоянного магнита на вращающейся основе.

1.4. В межполюсном пространстве лабораторного электромагнита ФЛ-1 (измеряется остаточная намагниченность при отсутствии тока в катушках электромагнита).

2. Произвести перерасчет полученных результатов по величине магнитной индукции в значения напряженности магнитного поля.

3. При помощи кюветы с нанодисперсной магнитной жидкостью произвести визуальное изучение магнитного поля в окрестности перечисленных образцов и сопоставить полученное наглядное представление с результатами измерений.

4. Подготовить рабочее место (стенд) в лаборатории Г-614 для измерений на микровеберметре Ф–199 (разместить катетометр на столе, выставить столик для размещения постоянного магнита, подставку (держатель) для катушки индуктивности, предусмотреть возможность размещения лазерного определителя оси кольцевого магнита (нормали к поверхности плоского магнита или диска, таблетки)).

4.1. Рассчитать параметры катушки индуктивности для подключения к микровеберметру Ф-199. Исходные данные: измеряемое поле ≥ 1 кА/м; диаметр трубки-держателя ~ 10 мм, длина ~5 см. Зафиксировать намотку лаком (скотчем), припаять соединительные проводники и механически надежно соединить их с трубкой.

4.2. Решить обратную задачу: определив параметры катушки индуктивности и приблизительное значение напряженности поля, выбрать оптимальный диапазон измерений на микровеберметре Ф–199.

4.3. Методом «выдергивания» ИМП из заданной точки магнитного поля получить распределение индукции (напряженности) магнитного поля по поверхности магнита (самостоятельно вывести расчетную формулу и рассчитать индукцию по полученным значениям изменяющегося магнитного потока и геометрии намотки).

4.4. Изучить топографию магнитного поля на поверхности магнитной пластинки, снабженной миллиметровой сеткой.

5. Произвести экспериментальную оценку критического значения напряженности нормальной составляющей магнитного поля, при котором возникают «пики» на поверхности магнитной жидкости, заполняющей кювету.

6. Произвести измерение намагниченности 2-х образцов магнитной жидкости путем выдергивания ампулы с исследуемым образцом из межполюсного пространства ФЛ-1 (при отсутствии тока в катушках электромагнита в межполюсном пространстве электромагнита сохраняется остаточная напряженность).

6.1. Продумать и изложить последовательность действий.

6.2. Рассчитать и изготовить применительно к данному случаю ИМП.

6.3. Самостоятельно вывести формулу для расчета намагниченности с учетом размагничивающего поля в образце.

6.4. Рассчитать напряженность магнитного поля.

6.5. Рассчитать намагниченность исследованных образцов МЖ.

7. Результаты занести в самостоятельно разработанную таблицу и дать к ним физический комментарий.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие величины характеризуют магнитное поле в вакууме и веществе? В каких единицах они измеряются?

2. Что представляет собой магнитная восприимчивость? Как она изменяется в процессе намагничивания вещества?

3. С чем связано возникновение размагничивающих полей? Каким образом вычисляется результирующее магнитное поле в образце?

4. Поясните принцип действия баллистического гальванометра.

5. В чем заключается баллистический метод измерения магнитного поля?

6. С какими физическими явлениями связано возникновение эффекта Холла? Как этот эффект применяется на практике?

7. Изложите последовательность действий при работе с магнитометром и микровеберметром.

8. Почему нанодисперсная магнитная жидкость может быть использована для визуального изучения магнитного поля?

9. Каким образом может быть измерена намагниченность магнитной жидкости?

ПРИМЕЧАНИЕ: для соблюдения условий безопасности и сохранности экспериментального оборудования включение и выключение источников питания, измерительных приборов и устройств производить только в присутствии ведущего преподавателя или учебного мастера!

ЛИТЕРАТУРА

1. Полунин В.М. Акустические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 384 с.

2. Чечерников В.И. Магнитные измерения. - М.: МГУ, 1969. 387с.

⇐ Предыдущая 1 2 34